摘要：闡述了應(yīng)用于高速無刷直流電機調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的BucK直流調(diào)壓器的功率器件選型計算和硬件保護電路設(shè)計過程，分析了該Buck調(diào)壓器在設(shè)計調(diào)試中遇到的問題和解決辦法，并設(shè)計制造了一臺樣機。實驗驗證了該樣機硬件保護電路叫靠有效，改進后的高頻吸收單元有效地減了小開關(guān)損耗及其對系統(tǒng)運行造成的影響。實驗樣機性能良好，可以為高速電機驅(qū)動系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的調(diào)壓性能，符合設(shè)計要求
關(guān)鍵詞：BucK；硬件保護；高頻吸收單元；無刷直流電機
引 言
Buck電壓變換電路是一種降壓型Dc／Dc變換器，將固定的直流電壓變換成輸出可變的直流電壓。
本文研究的Buck調(diào)壓器應(yīng)用f額定轉(zhuǎn)速為8000O r/min、額定功率為9 kw的高速無刷直流電機(HsBLDC)驅(qū)動系統(tǒng)。對丁Hs—BLDc驅(qū)動系統(tǒng)，由于轉(zhuǎn)速高，需要在轉(zhuǎn)子的磁鋼外面加一個不導(dǎo)磁的金屬護套[1-2]。當采用逆變器PwM控制方式調(diào)速時，其開關(guān)過程在電機中產(chǎn)生的高頻交變磁場會在轉(zhuǎn)子護套中感應(yīng)出一定量的渦流，相對于不采用PwM控制驅(qū)動的狀態(tài)可帶來超過50 K的溫升，進而造成磁鋼的溫度過高而退磁。另外對于Hs-BLDc通常采用無位置傳感器控制。最常見也是******的易行的方法是對電機端電壓中包含的反電勢進行信號處理[2]。
如果采用逆變器PwM驅(qū)動方式，通過電壓傳感器采集到的反電勢中會存在大量的PwM引起的高頻分量。雖然可以采用濾波的方式處理，但濾波產(chǎn)生的相移在高速系統(tǒng)中會變得十分明顯，給信號處理帶來一定問題。若采用數(shù)寧濾波，則計算所需要的時問相對電周期而言也是比較長的，進而影響系統(tǒng)的動態(tài)性能[3]、綜上所述，Hs—BLDc驅(qū)動系統(tǒng)往往需要在電源和逆變器之間采用Buck直流調(diào)壓器，以此來實現(xiàn)調(diào)壓調(diào)速。本文研究的閌壓器驅(qū)動的是較大功率(10 kw)的高速電機，因此，有效地實現(xiàn)系統(tǒng)保護并減小對控制器和電源的干擾是非常重要的。
Buck調(diào)壓器的保護部分包括硬件保護和軟件保護，其中硬件保護是對電流、溫度等控制量進行監(jiān)測并根據(jù)其狀態(tài)直接提供保護，具有動作迅速、保護有效等優(yōu)點；軟件保護作為硬件保護的輔助保護措施．可以根據(jù)系統(tǒng)當前參數(shù)確定保護措施，如關(guān)斷PwM輸出、改變PwM占空比等，但保護反應(yīng)時 該信號與一個過流基準電壓比較，可以生成一個低電平有效的過流保護信號(OC)；本系統(tǒng)過流保護閥值設(shè)定為70 A。這兩種保護信號作為硬件保護的輸入信號，經(jīng)過由邏輯門和單穩(wěn)觸發(fā)器組成的保護電路，輸出的信號作為IPM的保護信號。
由于lPM開通和關(guān)斷需要一定的時間，如果在導(dǎo)通過程中關(guān)斷或者在關(guān)斷過程中導(dǎo)通，會使IPM運行于線性放大區(qū)。短時間的反復(fù)通斷就會引起IPM的發(fā)熱甚至損壞。由74Hcl23構(gòu)成的單穩(wěn)觸發(fā)電路可以在輸入信號為任意寬度的低電平脈沖的情況下，輸出一個固定寬度的低電平脈沖信號。
2實驗驗證
實驗室測試系統(tǒng)由供電單元、Buck調(diào)壓器、負載單元構(gòu)成。供電單元將380 V三相交流電經(jīng)過自耦變壓器，再通過三相整流濾波電路，作為試驗用輸入電源。負載單元采用數(shù)個l Ω／2 kw的功率電阻經(jīng)過不同的串并聯(lián)組合作為負載。當系統(tǒng)輸入電壓為200V．PWM占空比為50％、周期為100us，負載為5 Ω時的輸出電壓和電流波形輸出功率約為2 kw此時控制器的供電電壓和控制波形已經(jīng)出現(xiàn)嚴重干擾，經(jīng)過分析研究發(fā)現(xiàn)，lGBT兩端的cBB電容不足以有效的吸收IGBT開關(guān)時產(chǎn)生的高頻分量，需要對吸收電路進行改進經(jīng)過調(diào)試，將IcBT兩端的(：BB電容換成由5 Ω的功率電阻R和5uF／500V的薄膜吸收電容cl串聯(lián)的吸收電路。該電路與系統(tǒng)中的電感構(gòu)成準諧振的軟丌關(guān)電路，可以有效地減小IcBT開關(guān)時產(chǎn)生的高頻干擾和開關(guān)損耗。同時存IPM的Cl極和E2極之問并聯(lián)一個5uF500V的薄膜吸收電容曉，吸收IPM在開關(guān)時產(chǎn)生的高頻信號以減小列實驗室電網(wǎng)的干擾。
經(jīng)過改進后，輸入電壓400 V，PwM占窄比55％，周期為100uF，負載為5Ω時的實驗波形。此時峰值輸出功率實際已經(jīng)超過9 kw，達到設(shè)計要求，且系統(tǒng)運行穩(wěn)定，未出現(xiàn)保護誤動作現(xiàn)象。當系統(tǒng)負載繼續(xù)增加，電流達到70 A時，硬件保護單元開始對系統(tǒng)保護，保證輸出電流不超過70 A。當重新負載減小至70 A以下時，系統(tǒng)繼續(xù)正常運行，未出現(xiàn)運行異常。
高速無刷直流電機驅(qū)動系統(tǒng)中使用的電壓變換電路在設(shè)計和調(diào)試過程中存在一系列的難點，設(shè)計性能穩(wěn)定、干擾小的功率變換器是研究的重點。本文著重對Buck調(diào)壓器功率器件的選型計算和硬件保護電路的設(shè)計過程進行了闡述和分析，并對在設(shè)計凋試中遇到的問題進行分析和解決。根據(jù)要求設(shè)計制造了一臺BucK調(diào)壓器樣機。通過負載實驗，驗證了Buck調(diào)壓器的硬件保護電路可靠有效，改進后的高頻吸收單元有效地減小了開關(guān)損耗和開關(guān)應(yīng)力及其對系統(tǒng)運行造成的影響。實驗系統(tǒng)符合設(shè)計要求，硬件保護有效可靠，具備良好的電壓凋節(jié)能力。 |
